Chế tạo bộ thí nghiệm đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere một số linh kiện điện tử nhằm phục vụ giảng dạy vật lí 11 trung học phổ thông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày việc nghiên cứu và chế tạo một bộ thí nghiệm có khả năng đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere của một số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor) trong khoảng thời gian ngắn (1 phút/thí nghiệm), có khả năng kết nối với máy vi tính thông qua Bluetooth nhằm tương tác với người sử dụng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chế tạo bộ thí nghiệm đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere một số linh kiện điện tử nhằm phục vụ giảng dạy vật lí 11 trung học phổ thông

UED Journal of Social Sciences, Humanities & Education – ISSN 1859 - 4603 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC TỰ ĐỘNG ĐẶC TUYẾN VOLT - AMPERE MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NHẰM PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VẬT LÍ 11 Nhận bài: 11 – 06 – 2018 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chấp nhận đăng: Nguyễn Tấn Pháta*, Phan Nhựt Huânb, Trần Thanh Phươngb, Ngô Minh Nhựtb, Nguyễn Lâm Duyb 20 – 08 – 2018 http://jshe.ued.udn.vn/ Tóm tắt: Trong chương trình Vật lí 11 trung học phổ thông, kiến thức về định luật Ohm và đặc tuyến Volt - Ampere của diode, transistor là những kiến thức quan trọng nhưng lại trừu tượng và khó giảng giải cho học sinh. Trong báo cáo này, một bộ thí nghiệm được chế tạo với khả năng đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere của điện trở, diode và transistor trong khoảng thời gian ngắn với độ chính xác cao và có thể kết nối với máy vi tính thông qua bluetooth. Các số liệu đo đạc được cập nhật liên tục và biểu diễn trên giao diện máy vi tính nên học sinh có thể quan sát trực tiếp đặc tuyến Volt - Ampere của các linh kiện nhằm rút ra nhận xét và kết luận, qua đó kích thích sự hứng thú của học sinh trong giờ học và góp phần phát triển năng lực thực nghiệm cho học sinh. Từ khóa: đặc tuyến Volt - Ampere; vi điều khiển; tự động; Bluetooth. dạy. Hiện nay, trong và ngoài nước đã nghiên cứu và xây 1. Giới thiệu dựng các bộ thí nghiệm nhằm phục vụ cho việc giảng dạy Thí nghiệm đóng vai trò rất quan trọng trong Vật lí các nội dung kiến thức này có thể kể đến như bộ thí nói riêng và các môn khoa học tự nhiên nói chung, giúp nghiệm khảo sát đặc tuyến của diode và transistor của cho con người thấu hiểu được bản chất của các hiện Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật TP. Hồ Chí Minh [4] tượng thực tế đang xảy ra xung quanh chúng ta [3]. Một và Trường Đại học Thủ Dầu Một [5], hay bộ thí nghiệm số nghiên cứu chỉ ra rằng, việc giảng dạy Vật lí thông của hãng sản xuất thiết bị giáo dục nước ngoài Phywe. qua các thí nghiệm giúp học sinh tiếp thu kiến thức tốt Hai bộ thí nghiệm trong nước có cấu tạo đơn giản, thực hơn so với các phương pháp truyền thống, đặc biệt là hiện thí nghiệm hoàn toàn thủ công, đòi hỏi phải lắp ráp với các nội dung khó và trừu tượng [1, 2]. Ngoài ra, việc mạch điện tương đối phức tạp và không kết nối được kết hợp giảng dạy Vật lí thông qua thí nghiệm còn giúp với máy vi tính. Ngược lại, bộ thí nghiệm của nước học sinh rèn luyện các kĩ năng thực hành và góp phần ngoài có khả năng ghi nhận dữ liệu tự động nhưng có phát triển năng lực khoa học, năng lực thực nghiệm và giá thành rất cao, do đó cũng không phù hợp với điều phát triển trí tuệ cho học sinh [2]. Trong chương trình kiện giảng dạy ở Việt Nam. Vật lí lớp 11 THPT, phần Điện học đóng vai trò rất Dựa trên quá trình phân tích những ưu và nhược quan trọng và chiếm phần lớn nội dung của chương điểm của các sản phẩm hiện có, ứng dụng những thành trình. Trong số đó, các kiến thức về định luật Ohm, đặc tựu của khoa học kĩ thuật, đặc biệt là công nghệ vi điều tuyến Volt - Ampere của diode và transistor là các kiến khiển và kết nối không dây, báo cáo này trình bày việc thức khó hình dung và tương đối trừu tượng, do đó cần nghiên cứu và chế tạo một bộ thí nghiệm có khả năng phải có những bộ thí nghiệm để hỗ trợ cho việc giảng đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere của một số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor) trong khoảng a,bTrường thời gian ngắn (1 phút/thí nghiệm), có khả năng kết nối Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh * Liên hệ tác giả với máy vi tính thông qua Bluetooth nhằm tương tác với Nguyễn Tấn Phát Email: phatnt@hcmup.edu.vn người sử dụng. Với bộ thí nghiệm này, giáo viên có thể 92 | Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97
ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97 thực hiện các thí nghiệm ngay tại lớp học, kết quả đo luận. Điều này không những giúp phát triển tư duy cho đạc được hiển thị trực tiếp dưới dạng đồ thị do đó học học sinh mà còn kích thích sự hứng thú trong học tập và sinh có thể quan sát quá trình đo và rút ra nhận xét, kết góp phần phát triển năng lực thực nghiệm cho học sinh. Hình 1. (a) Bộ thí nghiệm khảo sát đặc tuyến Volt - Ampere của diode zener của Trường Đại học Thủ Dầu Một [5] và (b) bộ thí nghiệm khảo sát định luật Ohm của Phywe Hình 2. Tóm tắt quá trình nghiên cứu, xây dựng bộ thí nghiệm 2. Nội dung nghiên cứu 2.2. Cấu trúc và hoạt động của bộ thí nghiệm 2.2.1. Cấu trúc của bộ thí nghiệm 2.1. Phương pháp nghiên cứu Vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trò là trung Bộ thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở phân tích tâm điều khiển, có nhiệm vụ nhận các thông số của quá những ưu và nhược điểm của các sản phẩm cùng loại trình đo đạc (linh kiện cần đo, hiệu điện thế cần đo nhỏ hiện có ở trong và ngoài nước, cùng với sự tiếp thu ý nhất và lớn nhất, bước nhảy điện thế) do người dùng kiến đóng góp của các chuyên gia trong lĩnh vực điện tử quy định từ phần mềm máy vi tính hoặc từ các nút nhấn tự động để hình thành ý tưởng ban đầu và phát thảo mô trên bề mặt của hộp thí nghiệm, sau đó điều khiển mạch hình của bộ thí nghiệm. Sau đó, dựa trên phương pháp đo để xuất ra các giá trị hiệu điện thế mong muốn, đo thực nghiệm và những kiến thức về điện tử và tự động cường độ dòng điện qua linh kiện rồi gửi cặp giá trị đo hoá, bộ thí nghiệm được xây dựng theo quy trình được đạc được lên máy vi tính và hiển thị lên màn hình LCD. tóm tắt như Hình 2. 93
Nguyễn Tấn Phát, Phan Nhựt Huân, Trần Thanh Phương, Ngô Minh Nhựt, Nguyễn Lâm Duy Hình 3. Cấu trúc của bộ thí nghiệm Hình 4. Sơ đồ mạch đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện của linh kiện điện tử Hình 5. Chương trình giao tiếp với người sử dụng trên máy vi tính 2.2.2. Mạch điện tử đo hiệu điện thế và cường đổi tín hiệu tương tự - số (ADC - Analog to Digital độ dòng điện Converter) của vi điều khiển PIC16F877A. Vì dòng IB có Để xây dựng đặc tuyến Volt - Ampere của một linh giá trị rất nhỏ nên có thể xem gần đúng I C ; I E và do đó kiện, ta đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu của linh kiện bằng cách sử dụng bộ ADC của vi điều khiển, ta có thể xác rồi đo cường độ dòng điện I qua linh kiện đó. Mạch điện tử định được điện thế tại chân E của transistor, nghĩa là xác để đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua một linh định được dòng IE qua điện trở 10. kiện điện tử có cấu tạo như Hình 4. Bằng cách thay đổi 2.2.3. Giao diện giao tiếp với người sử dụng điện thế VB tại chân B của transistor lưỡng cực (BJT) loại trên máy vi tính NPN (mã số C828A) thông qua IC DAC0808, ta làm thay Bộ thí nghiệm có thể kết nối không dây với máy vi đổi dòng IC qua linh kiện cần đo, nghĩa là làm thay đổi hiệu tính thông qua Bluetooth bằng module HC-05. Một phần điện thế giữa hai đầu của linh kiện đó. Giá trị hiệu điện thế mềm được xây dựng trên nền tảng Visual Basic (Hình 5) giữa hai đầu linh kiện được ghi nhận thông qua bộ chuyển 94
ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97 nhằm phục vụ cho việc tương tác của người sử dụng với (điện trở, diode, transistor) được đóng gói trong các hộp bộ thí nghiệm. Chương trình được xây dựng tương đối và có thể cắm trực tiếp lên trên bề mặt hộp thí nghiệm. đơn giản nhưng đầy đủ các chức năng cần thiết. Người Bộ thí nghiệm sử dụng nguồn điện 220V dân dụng. dùng có thể thiết lập các thông số cho quá trình đo đạc Bộ thí nghiệm này có thể hoạt động ở hai chế độ: đặc tuyến Volt - Ampere của một linh kiện điện tử, cũng thủ công và tự động. Ở chế độ thủ công, người dùng như quan sát trực tiếp quá trình đo đạc khi các dữ liệu thiết lập các thông số của quá trình đo đặc tuyến thông được cập nhật liên tục và tự động lên đồ thị. Bằng cách qua các nút nhấn, các kết quả đo đạc được hiển thị trên này, học sinh có thể quan sát được dạng đồ thị và tự rút ra màn hình LCD. Ngược lại, trong chế độ tự động, phần được các kiến thức về định luật Ohm cũng như dạng đặc mềm máy vi tính là nơi thiết lập các thông số đo đạc và tuyến Volt - Ampere của diode và transistor. đồng thời hiển thị kết quả đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere dưới dạng đồ thị. 3. Kết quả nghiên cứu Để đánh giá hoạt động và mức độ chính xác, bộ thí 3.1. Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh nghiệm được sử dụng để đo đặc tuyến Volt - Ampere Bộ thí nghiệm được đặt trong một hộp có kích của các điện trở, diode và transistor đã biết trước thông thước nhỏ gọn (19x12x6cm) như Hình 6. Các linh kiện số của nhà sản xuất. Các nút nhấn Chương trình Thiết bị cần đo giao tiếp trên Màn hình LCD máy vi tính Hộp thiết bị đo 19 cm Hình 6. (a) Bộ thí nghiệm hoàn chỉnh và (b) khi kết nối máy vi tính qua Bluetooth 3.2. Khảo sát định luật Ohm cho điện trở dạng đường thẳng đi qua gốc toạ độ. Giá trị điện trở suy Thực hiện đo đặc tuyến Volt - Ampere của điện trở ra được từ các đồ thị này được liệt kê trong Bảng 1. giá trị (150  7,5)  trong khoảng từ 0V đến 3,3V, kết Rđo = (148,23 0,54)  quả đo đạc được thể hiện như Hình 7. Đồ thị mô tả đặc tuyến Volt - Ampere của điện trở Rmẫu = (150,0 7,5)  đo đạc được có dạng một đường thẳng đi qua gốc toạ độ, điều này phản ánh đúng định luật Ohm. Bằng cách làm khớp các điểm thực nghiệm với một đường thẳng có dạng Y = A + BX, ta có thể tính được giá trị điện trở từ các số liệu này là Rđo = 148,23, có độ lệch tương đối 1,1% so với giá trị nhà sản xuất cung cấp. Kết quả này thể hiện mức độ chính xác cao trong việc đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere của điện trở của bộ thí nghiệm. Tiếp tục thực hiện thí nghiệm này với một số điện trở khác cũng thu được các đặc tuyến Volt - Ampere có Hình 7. Đặc tuyến Volt - Ampere của điện trở (150  7,5)  đo đạc bằng bộ thí nghiệm 95
Nguyễn Tấn Phát, Phan Nhựt Huân, Trần Thanh Phương, Ngô Minh Nhựt, Nguyễn Lâm Duy Bảng 1. Kết quả đo đặc tuyến Volt - Ampere của một số điện trở STT Giá trị nhà sản xuất () Giá trị đo được () Độ lệch tương đối (%) 1 33 ± 1,6 26,2 ± 1,7 20% 2 47 ± 2,4 39,5 ± 1,1 16% 3 100 ± 5,0 95,65 ± 0,77 4,4% 4 147 ± 7,4 143,89 ± 0,59 2,1% 5 200 ± 10 200,62 ± 0,83 0,3% 6 220 ± 11 225,71 ± 0,95 2,6% 7 330 ± 17 335,5 ± 1,2 1,7% 8 470 ± 24 495,9 ± 3,8 5,5% 9 680 ± 34 719,1 ± 4,0 5,7% 10 820 ± 41 844,4 ± 3,9 2,9% 11 1000 ± 50 964,57 ± 4,5 3,5% Hình 8. Đặc tuyến Volt - Ampere của diode (trái) và của transistor NPN (phải) Kết quả các phép đo điện trở có giá trị nhỏ hơn Kết quả thực nghiệm phản ảnh đúng dạng đặc tuyến 100 mắc phải sai số tương đối lớn. Tuy nhiên, sai Volt - Ampere của diode và transistor loại NPN điển số này giảm mạnh khi đo đạc trên các điện trở lớn với hình. Từ đồ thị, ta có thể suy ra được một số thông số đặc độ lệch tương đối lớn nhất chỉ là 5,7%. Như vậy, có trưng của linh kiện, chẳng hạn như điện áp ngưỡng của thể kết luận rằng bộ thí nghiệm cho kết quả có độ diode là U ng = ( 0,612  0,059 ) V , điện trở của diode trong chính xác cao với các điện trở có giá trị lớn nhưng vùng hoạt động tuyến tính là R = (1,63  0,16) V và cần phải được hiệu chỉnh lại với các điện trở có giá trị nhỏ hơn 100. dòng điện bão hoà tương ứng với các dòng IB khác nhau của transistor lần lượt là 3,96; 11,87; 20,40 và 29,30mA. 3.3. Khảo sát đặc tuyến Volt - Ampere của diode và transistor 4. Nhận xét, đánh giá Tiến hành quá trình đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere của diode và transistor lưỡng cực NPN mã số Bộ thí nghiệm có khả năng thực hiện đo đạc đặc C828A với dòng qua cực Base của transistor lần lượt là tuyến Volt - Ampere của các linh kiện điện tử tương đối 0,2; 0,4; 0,6 và 0,8mA thu được kết quả như Hình 8. chính xác với thao tác đơn giản và nhanh chóng. Từ các kết quả thu được, giáo viên có thể yêu cầu và gợi ý cho học sinh nhận xét về dạng đặc tuyến của các linh kiện 96
ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97 điện tử, hoặc tự tính toán các thông số đặc trưng của các effect of teaching electric circuits switching from linh kiện để có thể tự lĩnh hội kiến thức, phát triển khả real to virtual lab or vice versa - A case study with năng tính toán và tư duy thực nghiệm của học sinh. Tuy junior high-school learners. Proceedings of 2015 International Conference on Interactive nhiên, bộ thí nghiệm này cần được hiệu chỉnh sao cho Collaborative Learning, IEEE, 643-649. khả năng đo đạc đặc tuyến của các điện trở có giá trị [3] D. Psillos and H. Niedderer (2002). Issues and nhỏ cho độ chính xác cao hơn. Nếu khắc phục được các Questions Regarding the Effectiveness of Labwork nhược điểm này, bộ thí nghiệm có thể được sử dụng tại in Teaching and Learning in the Science lớp trong các tiết dạy của giáo viên để minh hoạ cho học Laboratory. Eds. Dordrecht: Kluwer, 21-30. sinh, hoặc có thể được sử dụng trong các buổi học thực [4] Lê Sơn Hải, Trần Thị Khánh Chi (2016). Nghiên hành Vật lí. cứu, xây dựng và hoàn thiện hệ thống đo đạc và giao tiếp cho bài thí nghiệm vật lý khảo sát đặc tuyến diode và transistor. Đề tài NCKH cơ sở mã số Tài liệu tham khảo T2015-107, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật [1] A. Hofstein, V.N. Lunetta (2004). The laboratory thành phố Hồ Chí Minh. in science education: Foundations for the Twenty- [5] Nguyễn Thanh Tùng (2017). Thiết kế mới một số First Century. Science Education, 88(1), 28-54. bài thí nghiệm vật lý đại cương. Tạp chí Khoa học [2] C. Tsihouridis, D. Vavougios, G.S. Ioannisdis, A. Trường Đại học Thủ Dầu Một, 2(33), 154-160. Alexias, C. Argyropoulos, S. Poulios (2015). The FABRICATING AN EXPERIMENTAL SYSTEM TO AUTOMATICALLY MEASURE I-V CURVES OF SOME DEVICES FOR TEACHING PHYSICS IN HIGH SCHOOL (GRADE 11) Abstract: Ohm’s law and I-V curves of diode and transistor are some of the most important and basic knowledge in Physics- Grade 11 program. However, those are quite abstract and teachers found it difficult to deliver knowledge to students, therefore, fabricating demonstrative models is an urgent requirement. A new experimental toolkit was built which can measure the I-V curves of resistors, diodes and transistors in a short duration with high precision. In addition, it can also connect with a personal computer via Bluetooth for interacting with users. The measured data are updated automatically onto computer and demonstrated as a graph, which allows students to follow and acquire knowledge by themselves. This experimental system is expected to improve the learning excitement and practical capacity for students. Key words: I-V curves; microcontroller; automatically; Bluetooth. 97